Fabricação do dispositivo de flocos finos MnBi2Te4. (A) Imagem óptica de flocos representativos de MnBi2Te4 de poucas camadas clivados em filme fino de Al2O3. A pilha MnBi2Te4 / Al2O3 é suportada por um substrato PDMS. A imagem foi obtida no modo de transmissão. Barra de escala:20 μm. (B) Imagem óptica da mesma pilha MnBi2Te4 / Al2O3 transferida para um substrato de SiO2 / Si de 285 nm. O resíduo da fita é visível sob o filme de Al2O3; o resíduo não afeta a fabricação da amostra e as medições subsequentes. (C) Imagem óptica de um dispositivo fabricado a partir da amostra mostrada em B. Os contatos de metal (Cr / Au) com a amostra foram evaporados termicamente através de uma máscara de estêncil. (D) Imagem óptica do mesmo dispositivo após a remoção do excesso de flocos de MnBi2Te4 que causam curto-circuito nos eletrodos adjacentes com uma ponta afiada. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax8156
A topologia de banda não trivial pode combinar-se com a ordem magnética em um isolador topológico magnético para produzir estados exóticos da matéria, como isoladores Hall anômalos quânticos (QAH) e isoladores axion. Um objetivo da física da matéria condensada é encontrar novos materiais com propriedades úteis e aplicar a mecânica quântica para estudá-los. O campo permitiu que os físicos entendessem melhor o uso de ímãs para armazenamento de dados em disco rígido, monitores de computador e outras tecnologias. A recente descoberta de isoladores topológicos atraiu amplo interesse e os pesquisadores prevêem que a interação entre o ferromagnetismo e o estado do isolador topológico pode realizar uma série de fenômenos magnéticos quânticos exóticos de interesse em física fundamental e aplicações de dispositivos.
Em um novo relatório, Yujun Deng e uma equipe de pesquisa dos departamentos de física e física da matéria quântica na China, transporte quântico sondado em um floco fino MnBi 2 Te 4 isolante topológico, com ordem magnética intrínseca. As camadas ferromagnéticas acopladas antiparalelamente umas às outras no MnBi atomicamente fino 2 Te 4 cristal van der Waals em camadas. Contudo, a amostra tornou-se ferromagnética quando continha um número ímpar de camadas septuplas. A equipe de pesquisa observou o efeito QAH de campo zero em um espécime de cinco camadas septuplas a 1,4 Kelvin. Os resultados estabeleceram MnBi 2 Te 4 como uma plataforma ideal para explorar fenômenos topológicos exóticos com simetria de reversão de tempo quebrada espontaneamente. O trabalho agora está publicado em Ciência .
Os materiais topológicos contêm distintamente estados quânticos protegidos topologicamente que são robustos contra problemas locais. Por exemplo, em um isolante topológico (TI), como telureto de bismuto (Bi 2 Te 3 ), a topologia de bulk band pode garantir a existência de estados de superfície bidimensionais (2-D) com dispersão de Dirac sem intervalos. Ao introduzir magnetismo nos isoladores topológicos invariantes (TIs) inicialmente reversíveis no tempo, os cientistas podem induzir mudanças profundas em sua estrutura eletrônica. Por exemplo, para observar experimentalmente o efeito QAH em dopados com cromo (Bi, Sb) 2 Te 3 , os físicos tinham que controlar com precisão a proporção de vários elementos em um material não estequiométrico. O ajuste fino do material exigiu conciliar demandas conflitantes e, portanto, os pesquisadores tiveram que quantizar com precisão o efeito Hall anômalo apenas em temperaturas de até T =2 K, muito abaixo da temperatura de Curie e da lacuna de troca no material. Para explorar ainda mais os ricos fenômenos topológicos e suas aplicações potenciais, os pesquisadores devem usar TIs magnéticos intrínsecos (isoladores topológicos) com uma ordem magnética inata para estudar seus efeitos topológicos em cristais prístinos.
Fabricação e caracterização de dispositivos MnBi2Te4 de poucas camadas. (A) Imagem óptica de flocos de poucas camadas de MnBi2Te4 clivados em filme fino de Al2O3 termicamente evaporado (espessura de ~ 70 nm). A pilha MnBi2Te4 / Al2O3 é suportada em um substrato PDMS. A imagem foi tirada no modo de transmissão. Número de SLs são rotulados em flocos selecionados. Barra de escala:20 μm. (B) Transmitância em função do número de SLs. A transmitância (círculos preenchidos) segue a lei de Beer-Lambert (linha contínua). (C) Resistência da amostra dependente da temperatura de MnBi2Te4 de poucas camadas. A transição antiferromagnética se manifesta como um pico de resistência nos três amostras de quatro e cinco camadas (Amostra 3a, 4a e 5a, respectivamente; veja a tabela S1). Detalhe:estrutura cristalina em camadas de MnBi2Te4 no estado antiferromagnético. Os spins dos íons Mn2 + ordenam ferromagneticamente dentro de uma camada, enquanto as camadas vizinhas se acoplam antiferromagneticamente com uma anisotropia magnetocristalina fora do plano. (D) Ryx dos mesmos três-, quatro-, e amostras de MnBi2Te4 de cinco camadas mostradas em C como uma função do campo magnético externo aplicado perpendicularmente ao plano da amostra. Os dados foram obtidos em T =1,6 K. Todos os conjuntos de dados foram anti-simetrizados para remover o componente Rxx (23). O campo magnético externo vira SLs ferromagnéticos individuais, um SL de cada vez, e eventualmente polariza totalmente todos os SLs. As transições magnéticas se manifestam como saltos em Ryx que são marcados por marcas coloridas em eixos horizontais. Os desenhos animados ilustram os estados magnéticos em campos magnéticos representativos (marcados por círculos abertos). SLs com magnetização para cima (para baixo) são mostrados em vermelho (azul). Pela simplicidade, apenas uma das configurações possíveis é mostrada quando há degenerescências; também ignoramos os domínios magnéticos que podem estar presentes em alguns dos estados magnéticos. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax8156
Nesse trabalho, Deng et al. transporte quântico sondado em flocos atomicamente finos de isolador topológico magnético intrínseco MnBi 2 Te 4 O material continha um composto de tetradimita ternário em camadas contendo camadas septuplas (Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te). O MnBi resultante 2 Te 4 cristal era intrinsecamente magnético e o magnetismo originado de Mn 2+ íons no cristal. Eles estudaram flocos finos de MnBi 2 Te 4 para minimizar a condução em massa paralela e com foco em MnBi 2 Te 4 flocos contendo um número ímpar de camadas.
A equipe começou com MnBi de alta qualidade 2 Te 4 cristais crescidos usando um método de fluxo para obter MnBi atomicamente fino 2 Te 4 via Al 2 O 3 - esfoliação assistida. Para conseguir isso, eles evaporaram termicamente Al 2 O 3 filme fino em uma superfície recém-preparada do cristal em massa, levantou o volume usando uma fita de liberação térmica, em seguida, liberou o Al combinado 2 O 3 / MnBi 2 Te 4 empilhar em um pedaço de polidimetilsiloxano (PDMS) transparente para inspeção microscópica. Depois disso, eles carimbaram os flocos finos em um wafer de silício coberto com SiO 2 , seguido pela deposição de contatos Cr / Au para medições de transporte. A equipe concluiu o processo em uma caixa hermética para evitar a exposição da amostra ao oxigênio (O 2 ) e água (H 2 O) para mitigar a degradação da amostra. Eles então estudaram extensivamente o rico conjunto de estados magnéticos para as amostras de poucas camadas.
Efeito Hall anômalo quântico em um floco MnBi2Te4 de cinco camadas. (A e B) Ryx dependente do campo magnético (A) e Rxx (B) adquiridos na Amostra 5b de cinco camadas em T =1,4 K. Os dados Ryx e Rxx mostrados aqui são anti-simetrizados e simetrizados, respectivamente, para remover a mistura dos dois componentes (23). As varreduras para cima e para baixo do campo magnético são mostradas em vermelho e azul, respectivamente. Ryx atinge 2 0,97 / h e, concomitante com um Rxx de 2 0,061 / he em μ0H =0 T. Essas características são evidências inequívocas do efeito QAH de campo zero. O campo magnético externo polariza os SLs ferromagnéticos individualmente, e melhora ainda mais a quantização de QAH; Ryx quantiza para 2 0,998 / h e sob campos magnéticos acima de μ0H ~ 2,5 T. (C) Rxx da Amostra 5b como uma função do campo magnético adquirido em várias temperaturas. Os dados são simetrizados para remover o componente Ryx. (D) Gráfico de Arrhenius de Rxx em função de 1 / T sob campos magnéticos representativos. Linhas sólidas são ajustes de linha, cuja inclinação produz a lacuna de energia do transporte de carga termicamente ativado. (E) Lacuna de energia em função do campo magnético extraído do ajuste dos gráficos de Arrhenius exemplificados em D. A região sombreada representa o limite de erro da lacuna de energia a partir dos ajustes de linha. Círculos sólidos destacam os valores de lacuna representativos obtidos a partir dos acessórios mostrados em D. Marcas coloridas nos eixos horizontais no painel B, C e E marcam a localização das transições magnéticas. Todos os dados foram obtidos sob um viés backgate de Vg =−200 V. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax8156
Deng et al. observaram um efeito QAH bem desenvolvido em campo magnético zero em um MnBi de cinco camadas 2 Te 4 de qualidade de amostra muito melhorada. Eles observaram que um campo magnético externo melhorou ainda mais a quantização, alinhando as camadas ferromagnéticas. O alinhamento ferromagnético também melhorou a robustez do efeito QAH contra flutuações térmicas. No campo magnético zero, eles obtiveram uma lacuna de energia que excedeu o valor em filmes finos de Ti dopados magneticamente, embora ainda muito menor do que a lacuna cambial esperada para MnBi 2 Te 4 .
O gap de energia não mediu diretamente o bandgap dos estados da superfície do cristal, mas caracterizou a energia mínima necessária para excitar um elétron da valência para a banda de condução. Por exemplo, uma grande diferença entre o gap de energia e o bandgap previsto implicou em vários distúrbios na amostra. Como resultado, há muito espaço para aumentar ainda mais a escala de energia do efeito QAH no primitivo, MnBi de alta qualidade 2 Te 4 amostras.
Efeito Hall anômalo quântico ajustado por gate em um floco MnBi2Te4 de cinco camadas. (A) Ryx dependente do campo magnético, adquirido na Amostra 5b, sob variação de polarização de porta Vg (em etapas de 10 V). Todos os dados foram obtidos em T =1,6 K. As curvas são anti-simetrizadas para remover o componente Rxx. As marcas coloridas no eixo horizontal marcam a localização das transições magnéticas. (B a D) Rxx e Ryx como funções de Vg sob três campos magnéticos representativos, μ0H =0 T, 5 T e 14 T. Um platô adicional de () 2/2 R he yx =- emerge em Vg ~ −25 V, acompanhado por um desaparecimento Rxx (painel D). O mesmo platô também é visível em A em μ0H> 10 T durante varreduras de campo sob Vg =−60 V. Essa evidência aponta para um estado Hall quantizado com um fator de preenchimento v =−2. Todos os dados foram obtidos na mesma Amostra 5b, mas os valores de Vg não correspondem exatamente aos de A por causa da histerese durante as varreduras de porta. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax8156
Depois que o campo magnético externo aplicado polarizou totalmente a amostra de cinco camadas, a lacuna de energia diminuiu com o aumento do campo magnético. Os estados QAH evoluíram gradualmente na configuração experimental, fornecendo uma visão geral da estrutura eletrônica das bandas de superfície fora do bandgap. Deng et al. compreendeu todos os estados observados no estudo a partir de uma visão unificada. As medições de Hall perto do campo magnético zero produzem uma eficiência de porta de 5 x 10 10 cm -2 / V, que concordou bem com a eficiência estimada a partir da geometria do dispositivo. Desde MnBi 2 Te 4 é um material em camadas, a equipe espera que as técnicas desenvolvidas para materiais 2-D sejam aplicáveis ao MnBi 2 Te 4 . Desta maneira, Yujun Deng e colegas antecipam que as heteroestruturas de van der Waals integrando MnBi 2 Te 4 com outros materiais 2-D magnéticos / supercondutores fornecerá um terreno fértil para explorar ainda mais fenômenos quânticos topológicos exóticos.
© 2020 Science X Network
